Μελέτη Προστασίας Συστηµάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας µε Ηλεκτρονόµους Κατεύθυνσης ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Μελέτη Προστασίας Συστηµάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας µε Ηλεκτρονόµους Κατεύθυνσης ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΓΓΕΛΟΣ Γ. ΓΚΟΡΙΤΣΑΣ Επιβλέπων : Κορρές Γεώργιος Αναπληρωτής Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Μάρτιος 2009

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Μελέτη Προστασίας Συστηµάτων Ηλεκτρικής Ηλεκτρονόµους Κατεύθυνσης Ενέργειας µε ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΓΓΕΛΟΣ Γ. ΓΚΟΡΙΤΣΑΣ Επιβλέπων : Κορρές Γεώργιος Αναπληρωτής Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριµελή εξεταστική επιτροπή την.... Γ. Κορρές Αν. Καθηγητής Ε.Μ.Π... Κ. Βουρνάς Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Σ. Παπαθανασίου Επ. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Μάρτιος 2009

... Άγγελος Γ. Γκορίτσας ιπλωµατούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Άγγελος Γ. Γκορίτσας Με επιφύλαξη παντός δικαιώµατος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανοµή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τµήµατος αυτής, για εµπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανοµή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν µήνυµα. Ερωτήµατα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συµπεράσµατα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερµηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσηµες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι η παρουσίαση, η ανάλυση και η αξιολόγηση διαφόρων τύπων ηλεκτρονόµων κατεύθυνσης που χρησιµοποιούνται στα σύγχρονα συστήµατα προστασίας συστηµάτων ηλεκτρική ενέργειας (ΣΗΕ). Η εργασία αυτή χωρίζεται σε 6 κεφάλαια. Στο πρώτο και εισαγωγικό παρουσιάζεται ο σκοπός και ο ρόλος του συστήµατος προστασίας, καθώς επίσης και οι βασικές αρχές λειτουργίας του. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται µια ανασκόπηση της θεωρίας υπολογισµού των σφαλµάτων και µια κατηγοριοποίηση αυτών. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται µια εισαγωγική περιγραφή του εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης. Συγκεκριµένα συζητούνται ο ρόλος της προστασίας κατεύθυνσης και η αναγκαιότητα χρήσης του, οι µεταβλητές εισόδου, διάφορα χαρακτηριστικά µεγέθη, και οι αρχές ανίχνευσης του εξοπλισµού αυτού. Επίσης συζητείται η εφαρµογή τους τόσο σε ακτινικά όσο και σε δίκτυα κλειστού βρόχου. Και τέλος παρουσιάζονται οι νέες τεχνολογίες για τον εξοπλισµό αυτό. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται και αξιολογούνται διάφοροι τύποι στοιχείων κατεύθυνσης. Πιο συγκεκριµένα, παρουσιάζονται η εξίσωση ροπής, οι µεταβλητές πόλωσης και λειτουργίας, τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα του καθενός από αυτούς. Επίσης αξιολογούνται διάφοροι συνδυασµοί εισόδου των στοιχείων αυτών, και πώς µε αυτούς τους συνδυασµούς λειτουργούν στα απλά και στα σύνθετα σφάλµατα. Επιπλέον αναλύονται νέες και παραδοσιακές επιλογές εισόδου, κλασικά προβλήµατα και η λύση τους. Στο πέµπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται οι διάφορες πηγές πόλωσης των ηλεκτρονόµων κατεύθυνσης γης. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι η περιγραφή των πηγών πόλωσης, των διαφορετικών σχηµάτων που είναι διαθέσιµα, καθώς επίσης και η ανάλυση των προβληµάτων που προκύπτουν σε καθένα από αυτά. Τέλος στο έκτο κεφάλαιο αναλύεται η λειτουργία και η απόδοση των δηµοφιλών στοιχείων απόστασης και κατεύθυνσης για διαφορετικές διαµορφώσεις συστήµατος. Πιο συγκεκριµένα γίνεται η αξιολόγηση της απόκρισης των στοιχείων κατεύθυνσης και απόστασης, όταν οι µετασχηµατιστές µέτρησης εγκαθίστανται είτε στην υψηλή, είτε στην χαµηλή τάση του µετασχηµατιστή ισχύος. Για την αξιολόγηση αυτή επιλύεται µια σειρά από παραδείγµατα διαφόρων διαµορφώσεων. Η αναλυτική επίλυση των παραδειγµάτων αυτών παρουσιάζεται στο παράρτηµα Β. Τελειώνοντας, θέλω να ευχαριστήσω τον κ. Κορρέ Γεώργιο, Αναπληρωτή Καθηγητή του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, για την ουσιαστική καθοδήγηση και πολύτιµη συµβολή του στην ολοκλήρωση της διπλωµατική εργασίας Λέξεις Κλειδιά Συστήµατα προστασίας, ηλεκτρονόµος, σφάλµατα, προστασία κατεύθυνσης, προστασία αποστάσεως,, συµµετρικές συνιστώσες,.

Abstract The aim of this diploma thesis is the presentation, the analysis and the evaluation of several directional relay types that are used in modern protection systems. This thesis is divided into six chapters. In the first and introductory chapter the aim and the role of directional protection equipment is presented, as well as the fundamental principles of its operation. Chapter two presents the theory of short circuit calculations and also provides a grouping of them. In the third chapter there is an introductive description of directional protection equipment. In particular it is discussed the role of directional protection equipment and its necessity of use, the inputs variables, various characteristic quantities and its principles of operation. It is also discussed the application of directional protection equipment on radial networks as well as on close rings. Finally the new technologies for this equipment are presented. In the fourth chapter several types of directional elements are analyzed and evaluated. In particular are presented the torque equation, the polarizing and operating quantities, and their advantages and disadvantages of each of them. There is also an evaluation of various directional element input combinations and how these combinations operate on simple and complex system faults. Moreover, new and traditional input choices, classical security problems and their solutions it is analyzed. In the fifth chapter various polarizing sources for directional ground relays, are presented and analyzed. The aim of this chapter is to discuss polarizing sources, the different schemes available and the problem pertinent to each. Finally in the sixth chapter it is analyzed the operation and the performance of popular distance and directional elements for several system configurations. In particular, this chapter addresses the application of distance and directional relays when instrument transformer inputs (CTs and VTs) are located on the low side of power transformer or on the opposite sides of the transformer bank. For this evaluation we solve, various configurations examples. The analytic solution of these examples is presented in Appendix B. Concluding, I would like to thank my supervisor George Korres, Associate Professor of N.T.U.A for his substantial directions and valuable contributions for completion this diploma thesis. Key Words Protection systems, faults, short circuit, directional overcurrent protection, distance protection, protective relays, symmetrical component.

Πίνακας Περιεχοµένων 7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1 Εισαγωγή... 14 1.1 Σκοπός και Ρόλος του Συστήµατος Προστασίας... 14 1.2 Βασικές Αρχές Λειτουργίας... 15 1.2.1 Ζώνες Προστασίας... 15 1.2.2 Λειτουργία Χαρακτηριστικά του Συστήµατος Προστασίας... 16 1.2.3 Τύποι Ηλεκτρονόµων... 17 2 Βραχυκυκλώµατα... 19 2.1 Κατηγορίες Σφαλµάτων... 19 2.2 Υπολογισµός Σφαλµάτων... 20 2.2.1 Σύστηµα Συµµετρικών Συνιστωσών... 20 2.2.2 Μονοφασικό ως προς γη Βραχυκύκλωµα... 21 2.2.3 ιφασικό Βραχυκύκλωµα... 22 2.2.4 ιφασικό ως προς Γη Βραχυκύκλωµα... 23 2.2.5 Τριφασικό Βραχυκύκλωµα µε ή χωρίς Γη... 24 2.2.6 Κυκλώµατα Ακολουθίας στους Μετασχηµατιστές Ισχύος.... 25 3 Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης... 27 3.1 Εισαγωγή... 27 3.1.1 Ο Ρόλος της Προστασίας Κατεύθυνσης... 27 3.1.2 Εφαρµογές... 28 3.1.3 Κωδικοί και Συµβολισµοί ιαφόρων Τύπων Ηλεκτρονόµων... 29 3.2 Περιγραφή των Ηλεκτρονόµων Κατεύθυνσης... 30 3.2.1 Προστασία Κατεύθυνσης Σφαλµάτων Γης... 31 3.2.2 Προστασία Κατεύθυνσης Φάσης... 36 3.2.3 Ηλεκτρονόµοι Ισχύος... 38 3.3 Εφαρµογές του Εξοπλισµού Προστασίας Κατεύθυνσης... 39 3.3.1 Προστασία Ακτινικών ικτύων... 39 3.3.2 Προστασία Κλειστών Βρόχων... 46 3.3.3 Προστασία Εναλλακτήρων... 50 3.4 Χρήση... 53 3.4.1 ιαβάθµιση των Μετασχηµατιστών Έντασης και Τάσης... 53 3.4.2 Επιλογή Μεταξύ ιφασικής ή Τριφασικής Προστασίας... 54 3.4.3 Προστασία Παράλληλων Συνδεδεµένων Μετασχηµατιστών... 55 3.5 Νέες Τεχνολογίες... 56 3.5.1 Νέες Τεχνολογίες στην Τεχνολογία Εξοπλισµού Προστασίας... 56

8 Πίνακας Περιεχοµένων 3.5.2 Νέες Τεχνολογίες Αισθητήρων... 57 3.5.3 Συµπεράσµατα... 57 4 Σχεδίαση και Αξιολόγηση Ηλεκτρονόµων Κατεύθυνσης... 58 4.1 Εισαγωγή... 58 4.2 Λόγοι Χρήσης Στοιχείων Κατεύθυνσης;... 58 4.2.1 Καθορισµός Κατεύθυνσης Σφάλµατος... 59 4.2.2 Επιτήρηση Στοιχείων Αποστάσεως... 59 4.3 Σχεδίαση Στοιχείων Κατεύθυνσης Φάσης... 60 4.3.1 Στοιχείο Κατεύθυνσης Φάσης Σύνδεσης 90 ο... 60 4.3.2 Βελτιωµένο Στοιχείο Κατεύθυνσης Φάσης Στοιχείο Κατεύθυνσης Θετικής Ακολουθίας... 69 4.3.3 Στοιχείο Κατεύθυνσης Αρνητικής Ακολουθίας... 76 4.4 Σχεδίαση Στοιχείων Κατεύθυνσης Γης... 83 4.4.1 Επιλογές εισόδου των στοιχείων κατεύθυνσης γης... 83 4.4.2 Μεταβλητές Ακολουθίας ως Είσοδοι για τα Στοιχεία Κατεύθυνσης Γης... 83 4.4.3 Στοιχείο Κατεύθυνσης Γης Πόλωσης Τάσης Μηδενικής Ακολουθίας... 83 4.4.4 Στοιχείο Κατεύθυνσης Γης Πόλωσης Ρεύµατος Μηδενικής Ακολουθίας... 84 4.4.5 Στοιχείο Κατεύθυνσης ιπλής Πόλωσης Μηδενικής Ακολουθίας... 84 4.4.6 Στοιχεία Κατεύθυνσης Πόλωσης Μηδενικής Ακολουθίας σε Εφαρµογές Γραµµών Μεταφοράς ιπλού Κυκλώµατος.... 85 4.4.7 Στοιχείο Κατεύθυνσης Αρνητικής Ακολουθίας για Σφάλµατα Γης... 89 4.4.8 Συνδυασµός Φασικών και Υπόλοιπων Ρευµάτων (residual) στα Στοιχεία Κατεύθυνσης Γης... 94 4.4.9 Στοιχεία Κατεύθυνσης Γης σε Ασύµµετρες Καταστάσεις του ικτύου... 97 4.5 Απόδοση των Στοιχείων Κατεύθυνσης... 98 4.5.1 Στοιχείο Κατεύθυνσης Αρνητικής Ακολουθίας σε Εφαρµογές Αντιστάθµισης Σειράς Γραµµών Μεταφοράς... 98 4.5.2 Στοιχείο Κατεύθυνσης Αρνητικής Ακολουθίας σε Γραµµή Μεταφοράς χωρίς Αντιµετάθεση Φάσεων.... 100 4.5.3 Σύγκριση του Στοιχείου Κατεύθυνσης Αρνητικής Ακολουθίας µε το Στοιχείο Κατεύθυνσης έλτα Σύνθετης Αντίστασης Θετικής Ακολουθίας (Delta Positive- Sequence)... 102 5 Πηγές Πόλωσης για τους Ηλεκτρονόµους Κατεύθυνσης Γης... 106 5.1 Εισαγωγή... 106 5. 2 Πόλωση ρεύµατος... 107 5.2 Πόλωση Τάσης... 117 5.3 ιπλή Πόλωση Ρεύµατος και Τάσης... 121 5.4 Η Προσέγγιση Αρνητικής Ακολουθίας... 121

Πίνακας Περιεχοµένων 9 6 Αξιολόγηση Στοιχείων Απόστασης και Κατεύθυνσης σε Γραµµές Μεταφοράς µε Μετασχηµατιστές Ισχύος ιαφόρων Συνδεσµολογιών... 122 6.1 Εισαγωγή... 122 6.2 Περιγραφή των Στοιχείων και του προς Αξιολόγηση Συστήµατος... 122 6.2.1 Στοιχεία Απόστασης... 122 6.2.2 Στοιχεία Κατεύθυνσης... 126 6.2.3 Περιγραφή του Συστήµατος... 127 6.3 Προστασία Γραµµής Μεταφοράς Υψηλής Τάσης µε Ηλεκτρονόµους Απόστασης µε ΜΕ και ΜΤ στην πλευρά Χαµηλής Τάσης.... 127 6.3.1 Μετασχηµατιστής Γειωµένου Αστέρα Τριγώνου µε το Τύλιγµα Τριγώνου στην Υψηλή Τάση.... 127 6.3.2 Μετασχηµατιστής Τριγώνου - Γειωµένου Αστέρα µε το Τύλιγµα Αστέρα στην Υψηλή Τάση.... 129 6.3.3 Μετασχηµατιστής Γειωµένου Αστέρα Τριγώνου µε το Τύλιγµα Αστέρα στην Χαµηλή Τάση και Ζ TR >>Z Line.... 129 6.4 Προστασία Γραµµής Μεταφοράς µε Ηλεκτρονόµους Απόστασης µε ΜΤ στην Χαµηλή και ΜΕ στην Υψηλή Τάση.... 130 6.4.1 Μετασχηµατιστής Γειωµένου Αστέρα Τριγώνου µε το Τύλιγµα Τριγώνου στην Υψηλή Τάση.... 130 6.4.2 Μετασχηµατιστής Τριγώνου - Γειωµένου Αστέρα µε το Τύλιγµα Αστέρα στην Υψηλή Τάση.... 131 6.5 Προστασία Γραµµής Μεταφοράς µε Ηλεκτρονόµους Κατεύθυνσης... 132 Παράρτηµα Α.... 136 Παράρτηµα Β... 138 Βιβλιογραφία... 229

10 Πίνακας Σχηµάτων ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1.1 Ζώνες Προστασίας... 15 Σχήµα 1.2 Ζώνες Προστασίας και ΜΕ... 16 Σχήµα 1.3 Κύρια συστατικά ενός ψηφιακού ηλεκτρονόµου... 18 Σχήµα 2.1 Κυκλώµατα ακολουθίας για µονοφασικό ως προς γη σφάλµα.... 21 Σχήµα 2.2 Κυκλώµατα ακολουθίας για διφασικό σφάλµα.... 22 Σχήµα 2.3 Κυκλώµατα ακολουθίας για διφασικό ως προς γη σφάλµα... 23 Σχήµα 2.4 Κυκλώµατα ακολουθίας για τριφασικό σφάλµα.... 24 Σχήµα 2.5 Κυκλώµατα ακολουθίας για τους µετασχηµατιστές αστέρα τριγώνου.... 25 Σχήµα 3.1:Παρουσίαση εφαρµογής του εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης... 27 Σχήµα 3.2: Ροη ρεύµατος και Φορά ανίχνευσης του εξοπλισµού προστασίας... 28 Σχήµα 3.3:Ανίχνευση χωρητικών ρευµάτων.... 29 Σχήµα 3.5: Μέτρηση του υπόλοιπου ρεύµατος µε την χρήση τριών ΜΕ... 31 Σχήµα 3.6:Μέτρηση υπόλοιπου ρεύµατος µε την χρήση δακτυλιοειδούς ΜΕ... 32 Σχήµα 3.7: Μέτρηση υπόλοιπης τάσης µε την χρήση τριών ΜΤ... 32 Σχήµα 3.8: Μέτρηση της υπόλοιπης τάσης µε την χρήση βοηθητικών ΜΤ... 32 Σχήµα 3.9: υο τρόποι πόλωσης για την προστασία κατεύθυνσης ως προς γη.... 33 Σχήµα 3.10: Χαρακτηριστική λειτουργίας του εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης υπερέντασης.... 35 Σχήµα 3.11:Εξοπλισµός προστασίας κατεύθυνσης µε µέτρηση της προβολής ρεύµατος... 35 Σχήµα 3.12: Χαρακτηριστική λειτουργίας του εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης, ο οποίος µετρά την ενεργό ισχύ µηδενικής ακολουθίας.... 36 Σχήµα 3.13:Χαρακτηριστηκή λειτουργίας Η/Ν µε το ρεύµα I a ως µεταβλητή λειτουργίας και την τάση V a -V b ως µεταβλητή πόλωσης... 37 Σχήµα 3.14:Χαρακτηριστική λειτουργίας εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης υπερέντασης... 38 Σχήµα 3.15: ιάγραµµα µέτρησης ισχύος... 39 Σχήµα 3.16: Χωρητικότητα καλωδίου.... 39 Σχήµα 3.17:Κυκλοφορία των χωρητικών ρευµάτων κατά την διάρκεια ενός µονοφασικού ως προς γη βραχυκυκλώµατος... 40 Σχήµα 3.18: ίκτυο αποµονωµένου ουδετέρου (ανίχνευση σφαλµάτων γης)... 42 Σχήµα 3.19: ίκτυο γείωσης ουδετέρου ωµικής αντίστασης (ανίχνευση σφαλµάτων γης). 43 Σχήµα 3.20: ίκτυο γείωσης ουδετέρου αντιστάθµισης (ανίχνευση σφαλµάτων γης)... 44 Σχήµα 3.21: ίκτυο απευθείας γειωµένου ουδετέρου (ανίχνευση σφαλµάτων γης)... 44 Σχήµα 3.22: Προστασία σφαλµάτων γης ενός γειωµένου σε διάφορα σηµεία... 45 δικτύου.... 45 Σχήµα 3.23: Προστασία σφαλµάτων φάσεων σε ένα δίκτυο πολλαπλών πηγών... 46 Σχήµα 3.24: ιάγραµµα κλειστού βρόχου... 47 Σχήµα 3.25: Προστασία παράλληλων συνδεδεµένων γραµµών... 48 Σχήµα 3.26: Προστασία κλειστού βρόχου µε επιλογικότητα βασισµένη σε χρόνο.... 49 Σχήµα 3.27: Προστασία κλειστού βρόχου µε την χρήση λογικής επιλογικότητας... 49 Σχήµα 3.28: Προστασία έναντι απώλειας διέγερσης µε ηλεκτρονόµο κατεύθυνσης άεργης ισχύος... 50 Σχήµα 3.29: Ανίχνευση λειτουργίας κινητήρα µε ηλεκτρονόµο κατεύθυνσης ενεργού ισχύος... 51 Σχήµα 3.30: Παράδειγµα εξοπλισµού προστασίας απόζευξης (decoupling protection equipment)... 52 Σχήµα 3.31:Σφάλµα γωνίας µετρούµενου ρεύµατος στους ΜΕ.... 53 Σχήµα 3.32: Ορισµός της γωνίας α... 54

Πίνακας Σχηµάτων 11 Σχήµα 3.33: Προστασία δυο παράλληλα συνδεδεµένων µετασχηµατιστών... 55 Σχήµα 3.34: SEPAM 2000, Ένας ψηφιακός ηλεκτρονόµος πολλαπλών λειτουργιών.... 56 Σχήµα 4.1 Σύστηµα του παραδείγµατος 4.1... 61 Σχήµα 4.2 Κύκλωµα θετικής ακολουθίας του συστήµατος του σχήµατος 4.1... 62 Σχήµα 4.3 ιανυσµατικό διάγραµµα τάσεων και ρευµάτων... 63 Σχήµα 4.4 ίκτυο για το παράδειγµα 4.2... 64 Σχήµα 4.5 Κυκλώµατα ακολουθίας του δικτύου του σχήµατος 4.4... 65 Σχήµα 4.6 Μεταβλητές πόλωσης και λειτουργίας στον ηλεκτρονόµο 1... 67 Σχήµα 4.7 Μεταβλητές πόλωσης και λειτουργίας στον ηλεκτρονόµο 2... 68 Σχήµα 4.8 ίκτυο του παραδείγµατος 4.3... 71 Σχήµα 4.9 Κυκλώµατα ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.8... 72 Σχήµα 4.10 Υπολογισµός τάσης Thevenin... 73 Σχήµα 4.11 ιανυσµατικό διάγραµµα τάσεων και ρευµάτων του Η/Ν 1... 75 Σχήµα 4.12 ιανυσµατικό διάγραµµα τάσεων και ρευµάτων του Η/Ν 2... 75 Σχήµα 4.13 ίκτυο του παραδείγµατος 4.4... 79 Σχήµα 4.14 Κυκλώµατα ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.13... 80 Σχήµα 4.15 ιανυσµατικό διάγραµµα τάσεων και ρευµάτων... 82 Πίνακας 4.5: ιαθέσιµες µεταβλητές ακολουθίας για σφάλµατα ως προς γη... 83 Σχήµα 4.16 Γραµµές µεταφοράς διπλού κυκλώµατος µε κοινό ζυγό αναχώρησης και άφιξης... 85 Σχήµα 4.17 Κύκλωµα µηδενικής ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.16... 85 Σχήµα 4.18 Γραµµές µεταφοράς διπλού κυκλώµατος µε διαφορετικούς ζυγούς αναχώρησης και άφιξης... 86 Σχήµα 4.19 Κύκλωµα µηδενικής ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.18... 87 Σχήµα 4.20 Γραµµές µεταφοράς διπλού κυκλώµατος µε διαφορετικούς ζυγούς αναχώρησης και κοινό ζυγό άφιξης... 88 Σχήµα 4.21 Κύκλωµα µηδενικής ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.20. Ο διακόπτης ισχύος του ζυγού 1 κλειστός... 88 Σχήµα 4.22 Κύκλωµα µηδενικής ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.20. Ο διακόπτης ισχύος του ζυγού 1 ανοικτός... 89 Σχήµα 4.23 Τάση αρνητικής ακολουθίας συναρτήσει της θέσης του σφάλµατος... 90 Σχήµα 4.24 ίκτυο για τον υπολογισµό της σταθεράς α... 91 Σχήµα 4.25 Κυκλώµατα ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.26... 92 Σχήµα 4.26 Αντιστάσεις αρνητικής ακολουθίας που βλέπει το στοιχείο αρνητικής ακολουθίας για ορθής και αντίστροφης φοράς σφάλµατα.... 93 Σχήµα 4.27 ίκτυο του παραδείγµατος 4.5... 94 Σχήµα 4.28 Κυκλώµατα ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.27... 95 Σχήµα 4.29 ιάγραµµα της διαφοράς των ορισµάτων θ των µεταβλητών πόλωσης και λειτουργίας συναρτήσει της γωνίας φορτίου δ.... 97 Σχήµα 4.30 Σφάλµα σε γραµµή µεταφοράς 239.68 µιλίων.... 98 Σχήµα 4.31 Τάσεις και ρεύµατα για ένα σφάλµα της Β φάσης σε απόσταση 108 µιλίων από την θέση του ηλεκτρονόµου... 99 Σχήµα 4.32 υναµική απόκριση του στοιχείου κατεύθυνσης αρνητικής ακολουθίας για το σφάλµα του σχήµατος 4.31... 99 Σχήµα 4.33 Ρυθµίσεις και υπολογισµοί σύνθετων αντιστάσεων σε ένα στοιχείο κατεύθυνσης σύνθετης αντίστασης αρνητικής ακολουθίας... 100 Σχήµα 4.34 Τυπική διαµόρφωση πυλώνα γραµµής µεταφοράς 400kV... 101 Σχήµα 4.35 ιφασικό σφάλµα κοντά στον αποµακρυσµένο ζυγό... 102 Σχήµα 4.36 Κυκλώµατα ακολουθίας για το δίκτυο του σχήµατος 4.35... 103 Σχήµα 5.1: Τυπικό σύστηµα µεταφοράς... 107

12 Πίνακας Σχηµάτων Σχήµα 5.2 ιαφορές διαµορφώσεις µετασχηµατιστών δυο τυλιγµάτων... 108 Σχήµα 5.3 Μετασχηµατιστής τριών τυλιγµάτων... 110 Σχήµα 5.4 Συνδέσεις ΜΕ σε µετασχηµατιστή τριών τυλιγµάτων... 111 Σχήµα 5.5 Αυτοµετασχηµατιστής τριών τυλιγµάτων... 112 Σχήµα 5.6 Συνδέσεις ΜΕ σε αυτοµετασχηµατιστή τριών τυλιγµάτων... 116 Σχήµα 5.7 Μεταβολή της τάσης αρνητικής ακολουθίας συναρτήσει της θέσης του σφάλµατος... 118 Σχήµα 5.8 Συνδεσµολογία ΜΤ µε δυο δευτερεύοντα τυλίγµατα... 118 Σχήµα 5.9 Συνδεσµολογία ΜΤ µε βοηθητικούς ΜΤ... 119 Σχήµα 5.10 Συνδεσµολογία ΜΤ στην χαµηλή και την υψηλή τάση... 120 Σχήµα 6.1Α και 6.1Β Λειτουργία διφασικού αντισταθµιστικού στοιχείου απόστασης στην κανονική λειτουργία και σε διφασικό σφάλµα εκτός ζώνης... 123 Σχήµα 6.1Γ και 6.1 Λειτουργία διφασικού αντισταθµιστικού στοιχείου απόστασης σε διφασικό σφάλµα κοντά στο σηµείο ισορροπίας και σε διφασικό σφάλµα εντός ζώνης... 124 Σχήµα 6.2 Λειτουργία τριφασικού αντισταθµιστικού στοιχείου απόστασης... 124 Σχήµα 6.3Α και 6.3Β Λειτουργία στοιχείου απόστασης φάσης σε σφάλµα ορθής φοράς εκτός ζώνης και σε ορθής φοράς σφάλµα κοντά στο σηµείο ισορροπίας... 125 Σχήµα 6.3Γ Λειτουργία στοιχείου απόστασης φάσης σε σφάλµα ορθής φοράς εντός ζώνης... 126 Σχήµα 6.4 ίκτυο της παραγράφου 6.3.1... 128 Σχήµα 6.5 ίκτυο της παραγράφου 6.3.2... 129 Σχήµα 6.6 ίκτυο της παραγράφου 6.3.3... 130 Σχήµα 6.7 ίκτυο της παραγράφου 6.4.1... 130 Σχήµα 6.8 ίκτυο της παραγράφου 6.4.2... 132 Σχήµα 6.9 Μετασχηµατιστές µετρήσεων στην πλευρά υψηλής τάσης... 133 Σχήµα 6.10 Μετασχηµατιστές µετρήσεων στην πλευρά χαµηλής τάσης... 134 Σχήµα 6.11 ΜΕ στην πλευρά υψηλής τάσης και ΜΤ στην πλευρά χαµηλής τάσης... 134

Πίνακας Πινάκων 13 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1 Κυκλώµατα µηδενικής ακολουθίας για διάφορες συνδεσµολογίες µετασχηµατιστών... 26 Πίνακας 3.1 Κωδικοί ANSI, συµβολισµοί και εφαρµογές... 30 Πίνακας 1: Είσοδοι του στοιχείου κατεύθυνσης φάσης σύνδεσης 90 ο... 60 Πίνακας 2: Είσοδοι του στοιχείου κατεύθυνσης θετικής ακολουθίας... 70 Πίνακας 4.3: ιαθέσιµες µεταβλητές ακολουθίας για µη συµµετρικά σφάλµατα µεταξύ φάσεων... 77 Πίνακας 4.4: Είσοδοι του στοιχείου κατεύθυνσης αρνητικής ακολουθίας... 77 Πίνακας 4.6: Είσοδοι σε ένα απλό στοιχείο κατεύθυνσης γης... 94 Πίνακας 4.7 Σύνθετές αντιστάσεις δζ 1 και z 2 για διαφορετικές συνθήκες σφάλµατος... 105 Πίνακας 6.1 Ρυθµίσεις στοιχείων απόστασης για το δίκτυο της παραγράφου 6.3.1... 128 Πίνακας 6.2 Ρυθµίσεις στοιχείων απόστασης για το δίκτυο της παραγράφου 6.3.2... 129 Πίνακας 6.3 Ρυθµίσεις στοιχείων απόστασης για το δίκτυο της παραγράφου 6.3.3... 130 Πίνακας 6.5 Ρυθµίσεις στοιχείων απόστασης για το δίκτυο της παραγράφου 6.4.1... 131 Πίνακας 6.6 Ρυθµίσεις στοιχείων απόστασης για το δίκτυο της παραγράφου 6.4.2... 132 Πίνακας 6.7 Απόκριση των στοιχείων κατεύθυνσης για σφάλµατα του δικτύου του σχήµατος 6.9... 133 Πίνακας 6.8 Απόκριση των στοιχείων κατεύθυνσης για σφάλµατα του δικτύου του σχήµατος 6.10... 134 Πίνακας 6.9 Απόκριση των στοιχείων κατεύθυνσης για σφάλµατα του δικτύου του σχήµατος 6.11... 135

14 1. Εισαγωγή 1 Εισαγωγή Κατά την λειτουργία του Συστήµατος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) εµφανίζονται πολλές φορές βραχυκυκλώµατα, που οφείλονται είτε σε βλάβες του ίδιου του συστήµατος, είτε σε εξωτερικά τυχαία αίτια ή σε ατµοσφαιρικές επιδράσεις. Με τον προσεκτικό σχεδιασµό και την προσεκτική λειτουργία και συντήρηση µπορεί να ελαχιστοποιηθεί η εµφάνιση των βραχυκυκλωµάτων, δεν είναι όµως δυνατόν να εξαλειφθούν τελείως. Βραχυκύκλωµα ή απλώς σφάλµα ονοµάζεται η επαφή οποιουδήποτε υπό τάση τµήµατος του συστήµατος προς γη, ή προς γειωµένα µεταλλικά µέρη των εγκαταστάσεων ή των συσκευών, όπως επίσης και η επαφή δύο διαφορετικών φάσεων µεταξύ τους. Τα βραχυκυκλώµατα µπορούν να διακριθούν σε µονοφασικά αν γίνονται µεταξύ µιας φάσης και της γης ή πολυφασικά (διφασικά ή τριφασικά) αν σε αυτά εµπλέκονται περισσότερες φάσεις. Η συνηθέστερη κατηγορία βραχυκυκλωµάτων είναι τα µονοφασικά ως προς γη. Τα βραχυκυκλώµατα εκδηλώνονται ως απότοµες υπερεντάσεις πολλαπλάσιες των κανονικών ρευµάτων φορτίου και αν επιτραπεί η ροή τους µπορεί να προκαλέσουν βλάβες στην µόνωση, τήξη των αγωγών, πυρκαγιές και εκρήξεις. Επίσης τα τυλίγµατα (γεννητριών, µετασχηµατιστών, κ.α.) και οι ζυγοί των υποσταθµών µπορεί να υποστούν µηχανικές καταπονήσεις και βλάβες λόγω των υψηλών µαγνητικών δυνάµεων που αναπτύσσονται από την ροή των µεγάλων ρευµάτων βραχυκύκλωσης. Εποµένως τα βραχυκυκλώµατα πρέπει γρήγορα να αποµακρύνονται από το σύστηµα. Ένας τυπικός εξοπλισµός προστασίας υψηλής τάσης είναι σχεδιασµένος να εκκαθαρίζει το σφάλµα µέσα σε τρείς κύκλους, ενώ αυτός της χαµηλής τάσης µέσα σε 5 έως 20 κύκλους. [1, 20] 1.1 Σκοπός και Ρόλος του Συστήµατος Προστασίας Κάθε στοιχείο του ΣΗΕ στο οποίο έχει εντοπισθεί βλάβη πρέπει να αποµονωθεί το ταχύτερο ώστε: Να περιορισθεί κατά το δυνατόν η βλάβη του στοιχείου στο οποίο εκδηλώθηκε. Να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις στο υπόλοιπο σύστηµα και ιδιαίτερα να αποφευχθεί η θέση εκτός λειτουργίας και άλλων στοιχείων αυτού. Να αποφευχθεί η δηµιουργία επικίνδυνων καταστάσεων για τα πρόσωπα (ηλεκτροπληξία) και πράγµατα (πυρκαγιά). Επιπρόσθετα, κάθε υπέρβαση των χαρακτηριστικών µεγεθών λειτουργίας ενός συστήµατος (π.χ. της τάσης) ή της ικανότητας φόρτισής του, µπορεί να οδηγήσει σε βλάβη του. Έτσι ο ρόλος του συστήµατος προστασίας είναι η ανίχνευση και η αποµόνωση ενός σφάλµατος και ο περιορισµός κατά το δυνατόν των επιπτώσεών του στο υπόλοιπο σύστηµα. Αυτό επιτυγχάνεται µε µέσα προστασίας τα οποία συνίστανται από:

1. Εισαγωγή 15 Μετασχηµατιστές Μετρήσεων Ηλεκτρονόµους (Relays) ιακόπτες Ισχύος (Circuit breakers) Οι ηλεκτρονόµοι που είναι το κύριο µέσο προστασίας αφού ανιχνεύσουν ένα σφάλµα µε την βοήθεια των µετασχηµατιστών µετρήσεων, δίνουν εντολή ανοίγµατος στους διακόπτες ισχύος. Ένα άλλο µέσο προστασίας είναι οι ασφάλειες οι οποίες ανιχνεύουν και διακόπτουν ταυτόχρονα το σφάλµα. [1.22,23] 1.2 Βασικές Αρχές Λειτουργίας 1.2.1 Ζώνες Προστασίας Το Σύστηµα Ηλεκτρικής Ενέργειας διαιρείται σε ζώνες προστασίας η οποίες ορίζονται από τον εξοπλισµό και τους διαθέσιµους διακόπτες ισχύος. Σε κάθε ΣΗΕ είναι δυνατή η ύπαρξη έξι κατηγοριών ζωνών προστασίας: 1. Γεννήτριες και µετασχηµατιστές γεννητριών 2. Μετασχηµατιστές Ισχύος 3. Ζυγοί 4. Γραµµές (Μεταφοράς, υποµεταφοράς, και διανοµής) 5. Βοηθητικού εξοπλισµού (κινητήρες, στατικά φορτία) 6. Σταθµοί πυκνωτών ή πηνίων (όταν προστατεύονται ξεχωριστά) Στο σχήµα 1.1 φαίνονται οι περισσότερες από τις παραπάνω ζώνες. Αν και οι βασικές αρχές προστασίας είναι παρόµοιες, κάθε µια από αυτές τις κατηγορίες έχει ηλεκτρονόµους προστασίας ειδικά σχεδιασµένους για προστασία πρώτης βαθµίδας (primary protection), η οποία βασίζεται στα χαρακτηριστικά του εξοπλισµού που προστατεύεται. Η προστασία της κάθε ζώνης συνήθως περιλαµβάνει ηλεκτρονόµους που παρέχουν προστασία δεύτερης βαθµίδας (backup protection) για τους ηλεκτρονόµους των γειτονικών ζωνών. Σχήµα 1.1 Ζώνες Προστασίας

16 1. Εισαγωγή Οι γειτονικές ζώνες επικαλύπτονται για να αποφεύγονται οι απροστάτευτες περιοχές. Χωρίς την επικάλυψη µια µικρή περιοχή µεταξύ των δυο ζωνών δεν ανήκει σε καµία από τις γειτονικές της ζώνες και έτσι δεν προστατεύεται. εδοµένου ότι η αποµόνωση κατά την διάρκεια των σφαλµάτων γίνεται από τους διακόπτες ισχύος, θα πρέπει να εγκαθίστανται στην σύνδεση της κάθε ζώνης µε το υπόλοιπό σύστηµα. Έτσι οι διακόπτες ισχύος θα πρέπει να εγκαθίστανται σε κάθε επικαλυπτόµενη περιοχή, ορίζοντας εποµένως τα όρια των ζωνών προστασίας. Η επικάλυψη των ζωνών επιτυγχάνεται µε την κατάλληλη τοποθέτηση των µετασχηµατιστών µέτρησης. Όπως φαίνεται από το σχήµα 1.2 ένα σφάλµα µέσα στην επικαλυπτόµενη περιοχή των ζωνών 1 και 2 έχει ως αποτέλεσµα την ενεργοποίηση των ηλεκτρονόµων και των δυο ζωνών, οι οποίοι δίνουν εντολή ανοίγµατος στον διακόπτη ισχύος. [1,2,23] Σχήµα 1.2 Ζώνες Προστασίας και ΜΕ 1.2.2 Λειτουργία Χαρακτηριστικά του Συστήµατος Προστασίας Οι κυριότεροι παράγοντες που χαρακτηρίζουν ποιοτικά ένα σύστηµα προστασίας είναι οι ακόλουθοι: Αξιοπιστία (Reliability): Αξιόπιστη λειτουργία όταν εµφανιστούν οι συνθήκες σφάλµατος ακόµα και αν αυτός παραµείνει ανενεργός για µήνες ή για χρόνια. Η µη ορθή λειτουργία του µπορεί να προκαλέσει ζηµίες πολλαπλάσιες του κόστους της. Επιλογικότητα (Selectivity): Αποφυγή των µη αναγκαίων και εσφαλµένων διακοπών. ιαβάθµιση (Coordination): Κατάλληλες κλιµακωτές ρυθµίσεις για την επίτευξή της επιλογικότητας. Ευαισθησία (Sensitivity): Η ικανότητα του συστήµατος προστασίας να αναγνωρίζει µια διαταραχή που υπερβαίνει τις ονοµαστικές συνθήκες διέγερσης και να θέτει το σύστηµα αυτό σε λειτουργία. Ταχύτητα Λειτουργίας (Operating time): Γρήγορη ενεργοποίηση για την ελαχιστοποίηση της διάρκειας του σφάλµατος και των ζηµιών του εξοπλισµού. Κάθε σκόπιµη χρονική καθυστέρηση θα πρέπει να είναι ακριβής. ιακριτικότητα (Discrimination): Η ικανότητα ενός ηλεκτρονόµου (Η/Ν) να διακρίνει µεταξύ ενός σφάλµατος ή µιας υπερβάσης οφειλόµενη σε µεταβατική κατάσταση.

1. Εισαγωγή 17 Οικονοµία (Economy): Παροχή της καλύτερης δυνατής προστασίας στο ελάχιστο κόστος. Απλότητα (Simplicity): Ελαχιστοποίηση του απαιτούµενου εξοπλισµού προστασίας και της απαιτούµενης καλωδίωσης. [1,22,23] 1.2.3 Τύποι Ηλεκτρονόµων Οι ηλεκτρονόµοι (Η/Ν) µπορούν να διακριθούν µε βάση την τεχνολογία κατασκευής τους σε τρείς κατηγορίες: 1. Ηλεκτροµαγνητικοί Η/Ν 2. Στατικοί ή Ηλεκτρονικοί Η/Ν 3. Ψηφιακοί ή Αριθµητικοί Η/Ν Οι ηλεκτροµαγνητικοί Η/Ν µπορούν να διακριθούν περαιτέρω σε: (α) Η/Μ Ηλεκτροµαγνητικής Έλξης (β) Η/Μ επαγωγής και (γ) Η/Ν µε ζυγό ισορροπίας. Οι Η/Ν ηλεκτροµαγνητικής έλξης δέχονται µια είσοδο (τάση ή ρεύµα) και ενεργοποιούνται κλείνοντας την επαφή εξόδου τους, όταν η είσοδος ξεπεράσει το όριο διέγερσης. Οι επαγωγικοί Η/Ν δέχονται µια ή δυο εισόδους και ενεργοποιούνται όταν η ροπή που αναπτύσσεται στο κινητό τους µέρος είναι θετική και ξεπερνά την ροπή συγκράτησης. Οι επαγωγικοί Η/Ν µιας εισόδου χρησιµοποιούνται κυρίως ως Η/Ν υπερέντασης, ενώ αυτοί των δύο εισόδων ως Η/Ν κατεύθυνσης. Οι Η/Ν µε ζυγό ισορροπίας δέχονται δυο εισόδους. Όταν και οι δυο είσοδοι είναι ρεύµατα, τότε η ροπή του Η/Ν είναι ανάλογη της διαφοράς των ρευµάτων αυτών και χρησιµοποιείται ως διαφορικός Η/Ν. Αν η µια από τις δυο εισόδους είναι τάση και η δεύτερη ρεύµα τότε προκύπτει ο Η/Ν απόστασης. Ο Η/Ν αυτός µετρά το λόγο =, την αντίσταση δηλαδή που βλέπει την στιγµή του σφάλµατος. Αν αυτή είναι µικρότερη από τιµή, ο Η/Ν ενεργοποιείται. Οι βασικές λειτουργίες των Η/Ν που υλοποιούνται µε τους ηλεκτροµαγνητικούς Η/Ν µπορούν να επιτευχθούν µε την χρήση στατικών (ηλεκτρονικών) Η/Ν, η αρχή λειτουργίας των οποίων είναι η επεξεργασία αναλογικών σηµάτων µε ηλεκτρονικά κυκλώµατα. Τα πλεονεκτήµατα των στατικών Η/Ν έναντι των ηλεκτροµαγνητικών είναι: πολύ µικρότερη κατανάλωση ισχύος µεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτητα λειτουργίας µεγαλύτερη ευκαµψία στη διαµόρφωση των κυκλωµάτων προστασίας δεν απαιτούν συντήρηση Οι ψηφιακοί ή οι αριθµητικοί Η/Ν αποτελούν την τελευταία εξέλιξη στην τεχνική των Η/Ν, η οποία δίδει πολύ µεγάλες δυνατότητες όσον αφορά την ακρίβεια, την ευκαµψία διαµόρφωσης τους, την αξιοπιστία λειτουργίας καθώς και τον συνδυασµό µε άλλες λειτουργίες ελέγχου. Η αρχή λειτουργίας των Η/Ν αυτών είναι η δειγµατοληψία αναλογικών σηµάτων και η ψηφιακή τους επεξεργασία (Άλγεβρα Boole). Τα κύρια στοιχεία τους φαίνονται στο σχήµα 1.3 Ανάλογα µε την αρχή ανίχνευσης και τρόπο λειτουργίας οι Η/Ν µπορούν να διακριθούν σε:

18 1. Εισαγωγή Η/Ν Υπερέντασης ιαφορικοί Η/Ν Η/Ν απόστασης Η/Ν κατεύθυνσης Σε αυτήν την εργασία ασχολούµαστε µε την τελευταία κατηγορία, τους Η/Ν κατεύθυνσης. [22,23] Σχήµα 1.3 Κύρια συστατικά ενός ψηφιακού ηλεκτρονόµου

2. Βραχυκυκλώµατα 19 2 Βραχυκυκλώµατα Σφάλµα ονοµάζουµε κάθε ανώµαλη κατάσταση η οποία εµφανίζεται στο σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ), και οφείλεται είτε σε βλάβες αυτού, είτε σε εξωτερικά τυχαία αίτια ή ατµοσφαιρικές επιδράσεις. Ο όρος σφάλµα συχνά ταυτίζεται µε τον όρο βραχυκύκλωµα, αν και είναι γενικότερος αυτού, αφού καλύπτει και άλλες µη οµαλές καταστάσεις. 2.1 Κατηγορίες Σφαλµάτων Μια πρώτη διάκριση των σφαλµάτων µπορεί να γίνει ανάλογα µε την διάρκεια και τον τρόπο σβέσης του τόξου τους. Έτσι στα εναέρια δίκτυα στα οποία η µόνωση τους είναι κυρίως ο αέρας, µπορούν να διακριθούν σε παροδικά σφάλµατα, στα οποία αρκεί η διακοπή της τάσης για µικρό χρονικό διάστηµα για την εξάλειψή τους. Ορισµένα από αυτά τα σφάλµατα µπορεί να σβένυνται µόνα τους χωρίς την διακοπή της τάσης και ονοµάζονται παροδικά αυτοσβενύµενα. Σε άλλα σφάλµατα που οφείλονται κυρίως σε εξωτερικά αίτια απαιτείται, για την απαλοιφή τους, χρονικό διάστηµα τουλάχιστον µερικών δευτερολέπτων. Τα σφάλµατα αυτά ονοµάζονται ηµιµόνιµα. Και τέλος µόνιµα ονοµάζονται τα σφάλµατα στα οποία είναι απαραίτητη η ανθρώπινη παρέµβαση για την απαλοιφή τους. Στα υπόγεια δίκτυα, στα οποία η µόνωση τους είναι ένα στερεό µονωτικό, η διάσπασή του κατά την εκδήλωση ενός σφάλµατος οδηγεί στην καταστροφή του. Έτσι τα σφάλµατα στα υπόγεια δίκτυα είναι κυρίως µόνιµα αφού απαιτείται η ανθρώπινη παρέµβαση για την απαλοιφή τους. Επίσης τα σφάλµατα µπορούν να διακριθούν ανάλογα µε τον αριθµό των φάσεων που εµπλέκονται σε αυτό. Έτσι, τα σφάλµατα διακρίνονται σε τριφασικά όταν εµπλέκονται και οι τρείς φάσεις, σε διφασικά ως προς γη όταν εµπλέκονται δυο φάσεις και η γη, σε διφασικά και σε µονοφασικά ως προς γη. Υπάρχουν επίσης και τα εξελισσόµενα σφάλµατα τα οποία ξεκινούν ως µονοφασικά ως προς γη και στην συνέχεια εµπλέκονται περισσότερες φάσεις σε αυτό. Τα σφάλµατα οφείλονται σε εξωτερικά και εσωτερικά αίτια. Τα εξωτερικά είναι τα κυριότερα αίτια για τα εναέρια δίκτυα και συνίστανται κυρίως σε σφάλµατα από εξωτερικές υπερτάσεις (κεραυνοί), ξένα αντικείµενα, την ρύπανση των µονωτήρων, και την επιφόρτιση των γραµµών (άνεµος, χιόνι). Το κυριότερο εξωτερικό αίτιο για τα υπόγεια δίκτυα είναι οι εκσκαφές που γίνονται διπλά ή πάνω από αυτά. Τα εσωτερικά αίτια συνίστανται κυρίως σε σφάλµατα λόγω γήρανσης της µόνωσης, κατασκευαστικής αδυναµίας και αστοχίας υλικού. Τα σφάλµατα που οφείλονται σε εσωτερικά αίτια είναι κυρίως µόνιµα. [20,22,23]

20 2. Βραχυκυκλώµατα 2.2 Υπολογισµός Σφαλµάτων 2.2.1 Σύστηµα Συµµετρικών Συνιστωσών Κάθε τριφασικό σύστηµα φασικών διανυσµάτων µπορεί να αναλυθεί σε τρία συστήµατα, δυο συµµετρικά τριφασικά, το ευθύ (θετικής ακολουθίας) και το αντίστροφο (αρνητικής ακολουθίας) και ένα οµοπολικό (µηδενικής ακολουθίας) Ο µετασχηµατισµός αυτός ονοµάζεται µετασχηµατισµός συµµετρικών συνιστωσών και οι σχέσεις που τον διέπουν είναι οι ακόλουθές: = 1 1 1 1 3 1 (2.1) 1 1 1 1 = 1 (2.2) 1 όπου = 1 120,, τα φασικά διανύσµατα του τριφασικού συστήµατος.,, οι συµµετρικές συνιστώσες της Κυκλώµατα ακολουθίας είναι τα κυκλώµατα στα οποία ρέουν τα αντίστοιχα ρεύµατα ακολουθίας. Έτσι το κύκλωµα στο οποίο ρέουν τα ρεύµατα θετικής ακολουθίας ονοµάζεται κύκλωµα θετικής ακολουθίας, περιλαµβάνει µόνο τις αντιστάσεις θετικής ακολουθίας και εµφανίζει τάσεις θετικής ακολουθίας. Τα αντίστοιχα ισχύουν για τα κυκλώµατα αρνητικής και µηδενικής ακολουθίας. Για τον υπολογισµό των σφαλµάτων ακολουθούνται τα παρακάτω βήµατα: 1. Κατασκευή των τριών κυκλωµάτων ακολουθίας και διασύνδεση τους το σηµείο του σφάλµατος. 2. Υπολογισµός των ρευµάτων και των τάσεων ακολουθίας. 3. Μετασχηµατισµός των παραπάνω σε φασικά ρεύµατα και τάσεις του τριφασικού συστήµατος. Στις επόµενες παραγράφους αναλύεται πως διασυνδέονται τα κυκλώµατα ακολουθίας για τα παρακάτω σφάλµατα που εξετάζουµε: Μονοφασικό ως προς γη βραχυκύκλωµα ιφασικό βραχυκύκλωµα ιφασικό ως προς γη βραχυκύκλωµα Τριφασικό βραχυκύκλωµα µε ή χωρίς γη

2. Βραχυκυκλώµατα 21 2.2.2 Μονοφασικό ως προς γη Βραχυκύκλωµα Τα κυκλώµατα ακολουθίας για αυτόν τον τύπο βραχυκυκλώµατος συνδέονται όπως φαίνεται στο σχήµα 2.1 Σχήµα 2.1 Κυκλώµατα ακολουθίας για µονοφασικό ως προς γη σφάλµα. Από το παραπάνω σχήµα έχουµε: επίσης = = = + + + 3 + 3 Για τις τάσεις ακολουθίας έχουµε: = = = + 3 Εφαρµόζοντας το µετασχηµατισµό (2.2) βρίσκουµε τις τάσεις και τα ρεύµατα του τριφασικού συστήµατος.

22 2. Βραχυκυκλώµατα 2.2.3 ιφασικό Βραχυκύκλωµα Τα κυκλώµατα ακολουθίας για αυτόν τον τύπο βραχυκυκλώµατος συνδέονται όπως φαίνεται στο σχήµα 2.2 Σχήµα 2.2 Κυκλώµατα ακολουθίας για διφασικό σφάλµα. Από το παραπάνω σχήµα έχουµε: επίσης = = 0 = + + Για τις τάσεις ακολουθίας έχουµε: = = = 0 Εφαρµόζοντας το µετασχηµατισµό (2.2) βρίσκουµε τις τάσεις και τα ρεύµατα του τριφασικού συστήµατος.

2. Βραχυκυκλώµατα 23 2.2.4 ιφασικό ως προς Γη Βραχυκύκλωµα Τα κυκλώµατα ακολουθίας για αυτόν τον τύπο βραχυκυκλώµατος συνδέονται όπως φαίνεται στο σχήµα 2.3 Σχήµα 2.3 Κυκλώµατα ακολουθίας για διφασικό ως προς γη σφάλµα Από το παραπάνω σχήµα έχουµε: επίσης = + // + 3 + 3 = + 3 + 3 = + + 3 + 3 = + + 3 + 3 + + 3 + 3 + + 3 + 3 Για τις τάσεις ακολουθίας έχουµε: = = = + 3 Εφαρµόζοντας το µετασχηµατισµό (2.2) βρίσκουµε τις τάσεις και τα ρεύµατα του τριφασικού συστήµατος.

24 2. Βραχυκυκλώµατα 2.2.5 Τριφασικό Βραχυκύκλωµα µε ή χωρίς Γη Τα κυκλώµατα ακολουθίας για αυτόν τον τύπο βραχυκυκλώµατος συνδέονται όπως φαίνεται στο σχήµα 2.4 Ζ 1 I 1 Ε 1 Ζ 2 I 2 Ζ 0 I 0 3Ζ N Σχήµα 2.4 Κυκλώµατα ακολουθίας για τριφασικό σφάλµα. Από το παραπάνω σχήµα έχουµε: επίσης = 0 = 0 = Για τις τάσεις ακολουθίας έχουµε: = = 0 = 0 Εφαρµόζοντας το µετασχηµατισµό (2.2) βρίσκουµε τις τάσεις και τα ρεύµατα του τριφασικού συστήµατος.

2. Βραχυκυκλώµατα 25 2.2.6 Κυκλώµατα Ακολουθίας στους Μετασχηµατιστές Ισχύος. Στους µετασχηµατιστές αστέρα τριγώνου προκαλείται πάντοτε στροφή γωνίας των διανυσµάτων. Στους µετασχηµατιστές αυτούς, δηλαδή, οι µεταβλητές θετικής ακολουθίας στρέφονται κατά +30 ο από το τύλιγµα τριγώνου στο τύλιγµα αστέρα, ενώ οι µεταβλητές αρνητικής ακολουθίας κατά -30 ο από το τύλιγµα τριγώνου στο τύλιγµα αστέρα. Το αντίθετο συµβαίνει αν πηγαίνουµε από το τύλιγµα αστέρα στο τύλιγµα τριγώνου. Στις µεταβλητές του κυκλώµατος µηδενικής ακολουθίας, αντίθετα, δεν γίνεται καµία στροφή γωνίας. Την παραπάνω επίδραση των τυλιγµάτων του µετασχηµατιστή στις µεταβλητές ακολουθίας τη µοντελοποιούµε προσθέτοντας στα κυκλώµατα θετικής και αρνητικής ακολουθίας µετασχηµατιστές γωνίας, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.5 I A1 I 1 j 30 e : 1 I A2 I 2 1 : e j 30 I A0 I 0 Σχήµα 2.5 Κυκλώµατα ακολουθίας για τους µετασχηµατιστές αστέρα τριγώνου. Τέλος στον Πίνακα 2.1 φαίνονται τα κυκλώµατα µηδενικής ακολουθίας διαφόρων τριφασικών µετασχηµατιστών.

26 2. Βραχυκυκλώµατα Πίνακας 2.1 Κυκλώµατα µηδενικής ακολουθίας για διάφορες συνδεσµολογίες µετασχηµατιστών Μονογραµµικό ιάγραµµα Κύκλωµα Μηδενικής Ακολουθίας [1,21,22]

3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης 27 3 Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης 3.1 Εισαγωγή 3.1.1 Ο Ρόλος της Προστασίας Κατεύθυνσης Ο εξοπλισµός προστασίας κατεύθυνσης έχει ως βασικό ρόλο την ανίχνευση ενός ηλεκτρικού σφάλµατος και την αποσύνδεση του τµήµατος του δικτύου στο οποίο εµφανίζεται το σφάλµα αυτό, περιορίζοντας το µέγεθος του αποσυνδεδεµένου τµήµατος στο µικρότερο δυνατόν. Με την προστασία κατεύθυνσης έχουµε την δυνατότητα καλύτερης διάκρισης του τµήµατος του δικτύου, στο οποίο έχει συµβεί ένα σφάλµα από ότι µε την προστασία υπερέντασης. Είναι αναγκαίος να χρησιµοποιείται στις ακόλουθες περιπτώσεις: σε συστήµατα µε πολλές πηγές σε συστήµατα κλειστού βρόχου ή παράλληλων καλωδίων σε συστήµατα µε αποµονωµένο ουδέτερο για την ανάδραση των χωρητικών ρευµάτων για την ανίχνευση αντικανονικής ροής ενεργής και άεργης ισχύος (γεννήτριες) Στο σχήµα 3.1 παρουσιάζεται µια περίπτωση στην οποία και οι δυο πηγές ισχύος θα διακοπούν αν χρησιµοποιηθεί απλή προστασία υπερέντασης. Σχήµα 3.1:Παρουσίαση εφαρµογής του εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης Με τον εξοπλισµό προστασίας κατεύθυνσης έχουµε την δυνατότητα για διακοπή των διακλαδώσεων µόνο, στις οποίες έχει συµβεί σφάλµα. Η κατεύθυνση του σφάλµατος ανιχνεύεται µε την µέτρηση της κατεύθυνσης ροής του ρεύµατος, ή µε άλλα λόγια µε την µέτρηση της διαφοράς φάσης µεταξύ ρεύµατος και τάσης.

28 3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης Ο εξοπλισµός προστασίας ισχύος, µετρά είτε την ενεργή, είτε την άεργο ισχύ που ρέει µέσω της σύνδεσης, στην οποία βρίσκονται οι αισθητήρες ρεύµατος. Ο εξοπλισµός προστασίας λειτουργεί αν η ισχύς είναι µεγαλύτερη από ένα κατώτερο όριο (κατώφλι) και όταν αυτή ρέει στην κατεύθυνση διακοπής. Οι εξοπλισµοί προστασίας κατεύθυνσης ισχύος και ρεύµατος απαιτούν την µέτρηση ρεύµατος και τάσης. 3.1.2 Εφαρµογές Ο εξοπλισµός προστασίας κατεύθυνσης είναι χρήσιµος για όλα τα τµήµατα του δικτύου στα οποία η κατεύθυνση ροής της ισχύος είναι πιθανόν να αλλάξει, ειδικότερα στην περίπτωση διφασικού ή µονοφασικού ως προς γη βραχυκυκλώµατος. Η προστασία κατεύθυνσης φάσης εγκαθίσταται για την προστασία παράλληλων συνδέσεων: ενός κλειστού βρόχου ή ενός τµήµατος δικτύου που είναι συνδεδεµένο σε δυο πηγές ισχύος (βλέπε Σχήµα 3.2). Η προστασία κατεύθυνσης γης (e/f) είναι ευαίσθητη στην κατεύθυνση ροής του ρεύµατος προς ή από την γη. Είναι αναγκαίο να εγκατασταθεί αυτός ο τύπος εξοπλισµού προστασίας όταν το ρεύµα φάσης γης διαιρείται µεταξύ διαφόρων γειώσεων του συστήµατος. Σχήµα 3.2: Ροη ρεύµατος και Φορά ανίχνευσης του εξοπλισµού προστασίας. Ωστόσο, αυτή η ροή ρεύµατος δεν οφείλεται µόνο στην γείωση του ουδετέρου του δικτύου, αλλά επίσης και στην χωρητικότητα µεταξύ φάσης και γης των γραµµών και των καλωδίων (1 km καλωδίου 20 kv προκαλεί ροή χωρητικού ρεύµατος 3 µε 4 Α περίπου).

3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης 29 Η προστασία κατεύθυνσης υπερέντασης υπόλοιπου ρεύµατος (residual), όπως επίσης και η προστασία ενεργού ισχύος µηδενικής ακολουθίας, χρησιµοποιείται για την προστασία γραµµών τροφοδοσίας (feeders), που έχουν χωρητικό ρεύµα της ίδιας τάξης µεγέθους µε το ρεύµα σφάλµατος ως προς γη. Σε αυτές τις γραµµές τροφοδοσίας (feeders), όταν εµφανιστεί ένα σφάλµα ως προς γη, σε οποιοδήποτε σηµείο του δικτύου, η χωρητικότητα φάσης γης έχει τέτοια τιµή ώστε το ρεύµα µηδενικής ακολουθίας είναι µεγάλο, και έτσι ανιχνεύεται από την απλή προστασία υπερέντασης σφαλµάτων γης, η οποία προκαλεί διακοπή της γραµµής αυτής, ενώ κανονικά δεν θα έπρεπε, διότι το σφάλµα έχει συµβεί στην άλλη γραµµή.(βλέπε σχήµα 3.3). Η προστασία κατεύθυνσης είναι εποµένως συµπληρωµατική της προστασίας υπερέντασης, δίνοντας την δυνατότητα καλύτερης διάκρισης του τµήµατος του δικτύου στο οποίο έχει συµβεί σφάλµα, για όλες τις παραπάνω αναφερθείσες περιπτώσεις. Ο εξοπλισµός προστασίας ενεργού ή άεργου ισχύος χρησιµοποιείται για την ανίχνευση µιας αντικανονικής ροής ισχύος, πέρα από αυτήν που οφείλεται σε ένα βραχυκύκλωµα π.χ. αν συµβεί βλάβη στην κινητήρια µηχανή, η γεννήτρια θα συνεχίσει να περιστρέφεται ως σύγχρονος κινητήρας, απορροφώντας ισχύ από το δίκτυο. 1 2 εν ενεργοποιείται Φορά ανίχνευσης του εξοπλισµού προστασίας Κατεύθυνσης ροής του ρεύµατος σφάλµατος Σχήµα 3.3:Ανίχνευση χωρητικών ρευµάτων. 3.1.3 Κωδικοί και Συµβολισµοί ιαφόρων Τύπων Ηλεκτρονόµων Στον πίνακα 3.1, παρουσιάζονται, για κάθε κώδικα ANSI ένας ή περισσότεροι τύποι εξοπλισµού προστασίας καθώς επίσης τα συνήθη ονόµατα και τα πεδία εφαρµογής τους.

30 3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης Πίνακας 3.1 Κωδικοί ANSI, συµβολισµοί και εφαρµογές Σύµβολο Κώδικας ANSI(C37-2) Συνήθη Ονόµατα Πεδία Εφαρµογής Q > P < 67 Υπερέντασης κατεύθυνσης (directional overcurrent) Κατεύθυνσης φάσεων (phase directional) Ανίχνευση ενός βραχυκυκλώµατος µεταξύ φάσεων µαζί µε την κατεύθυνσή του 67Ν Υπερέντασης κατεύθυνσης παραµένοντος ρεύµατος (directional residual Ανίχνευση ενός σφάλµατος ως προς γη µαζί µε την κατεύθυνση του. overcurrent) Κατεύθυνσης σφάλµατος ως προς γη (directional earth fault) Ενεργής ισχύος µηδενικής ακολουθίας. (zero sequence active power) 32P Ενεργής Υπερισχύος (active overpower) Ενεργής Ισχύος αντίθετης φοράς (active reverse power) 32Q Άεργης Υπερισχύος Προστασία των γεννητριών (reactive overpower) και των σύγχρονών Άεργης Ισχύος αντίθετης κινητήρων ή για ανίχνευση φοράς(reactive reverse µιας αντικανονικής ροής power) ισχύος. 32P Ενεργής Υπο ισχύος Q < 32Q Άεργης Υπο ισχύος 3.2 Περιγραφή των Ηλεκτρονόµων Κατεύθυνσης Για να µετρηθεί η τιµή της ισχύος ή για να καθοριστεί αν το σφάλµα είναι ορθής ή αντίστροφης φοράς, στο σηµείο όπου µετράται το ρεύµα, θα πρέπει να προσδιοριστεί η διαφορά φάσης µεταξύ του µετρούµενου ρεύµατος και µιας µεταβλητής αναφοράς: η πολική τάση για την προστασία κατεύθυνσης φάσης και η υπόλοιπη τάση (residual) για την προστασία κατεύθυνσης σφαλµάτων γης. Αυτή η µεταβλητή αναφοράς καλείται µεταβλητή πόλωσης.

3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης 31 3.2.1 Προστασία Κατεύθυνσης Σφαλµάτων Γης Μεταβλητές Εισόδου Στην προστασία κατεύθυνσης γης µετράται το υπόλοιπο ρεύµα (residual), ενώ η υπόλοιπη τάση (residual), συχνά χρησιµοποιείται ως µεταβλητή πόλωσης. εν θα πρέπει να συγχέεται µε την τάση µηδενικής ακολουθίας. Υπενθυµίζεται ότι για κάθε τριφασικό σύστηµα,,, στην θεωρία συµµετρικών συνιστωσών ορίζεται η µεταβλητή µηδενικής ακολουθίας ως : = 1 3 + + ενώ η υπόλοιπη µεταβλητή (residual): = + + είναι τρεις φορές µεγαλύτερη από την µεταβλητή µηδενικής ακολουθίας Το υπόλοιπο ρεύµα (residual) µπορούµε να το µετρήσουµε είτε µε τρεις µετασχηµατιστές έντασης (ΜΕ), ένας για κάθε φάση, είτε µε ένα δακτυλιοειδές πηνίο (ring CT) τυλιγµένο γύρω από τις τρεις φάσεις. Η χρήση των τριών ΜΕ (βλ σχήµα 3.5) έχει ορισµένα πλεονεκτήµατα: o Οι ΜΕ είναι γενικά αξιόπιστοι. o Έχουν την δυνατότητα να µετρούν µεγάλα ρεύµατα Αλλά επίσης έχουν και ορισµένα µειονεκτήµατα: o Ο κορεσµός των ΜΕ τη στιγµή του βραχυκυκλώµατος ή τη στιγµή που ο µετασχηµατιστής ισχύος συνδέεται στο δίκτυο, παράγει ένα εσφαλµένο υπόλοιπο ρεύµα (residual). o Πρακτικά η ρύθµιση (κατώφλι) του ηλεκτρονόµου δεν µπορεί να τεθεί κάτω από το 10% του ονοµαστικού ρεύµατος των ΜΕ i a i b i c I a I b I c i r =i a +i b +i c Σχήµα 3.5: Μέτρηση του υπόλοιπου ρεύµατος µε την χρήση τριών ΜΕ Η µέτρηση µε την χρήση δακτυλιοειδούς ΜΕ (βλ σχήµα 3.6) o έχει το πλεονέκτηµα ότι είναι πολύ ευαίσθητη o και το µειονέκτηµα του πηνίου, το οποίο έχει µόνωση χαµηλής τάσης και είναι εγκατεστηµένο γύρω από γυµνούς αγωγούς.

32 3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης i r I a I b I c Σχήµα 3.6:Μέτρηση υπόλοιπου ρεύµατος µε την χρήση δακτυλιοειδούς ΜΕ Η υπόλοιπη τάση (residual) µετράται από τρεις µετασχηµατιστές τάσης (ΜΤ): συχνά χρησιµοποιούνται ΜΤ µε δυο δευτερεύοντα τυλίγµατα (βλ. Σχήµα 3.7) το ένα σε σύνδεση αστέρα, µε το οποίο µπορούµε να µετρήσουµε τόσο τις φασικές όσο και τις πολικές τάσεις, και το άλλο σε σύνδεση ανοικτού τριγώνου, µε το οποίο µπορούµε να µετρήσουµε την υπόλοιπη τάση (residual). Αν οι ΜΤ έχουν µόνο ένα δευτερεύον τύλιγµα, αυτό είναι συνδεδεµένο σε γειωµένο αστέρα. Σε αυτούς τους ΜΤ µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια οµάδα βοηθητικών ΜΤ για την µέτρηση της υπόλοιπη τάσης (residual) (βλέπε Σχήµα 3.8). Αυτή η περίπτωση συναντάται συχνά όταν αναβαθµίζεται το σύστηµα προστασίας των υπαρχουσών εγκαταστάσεων. Θα πρέπει να σηµειωθεί εδώ ότι ο εξοπλισµός κύριας προστασίας δεν απαιτεί βοηθητικούς ΜΤ, ο εξοπλισµός από µόνος του λαµβάνει την τιµή της υπόλοιπης τάσης (residual) από τις τρεις φασικές τάσεις. V r =V a +V b +V c Σχήµα 3.7: Μέτρηση υπόλοιπης τάσης µε την χρήση τριών ΜΤ Σχήµα 3.8: Μέτρηση της υπόλοιπης τάσης µε την χρήση βοηθητικών ΜΤ

3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης 33 Η µεταβλητή πόλωσης που χρησιµοποιείται πιο συχνά σε έναν ηλεκτρονόµο κατεύθυνσης γης είναι η υπόλοιπη τάση (residual), ωστόσο η µεταβλητή πόλωσης µπορεί επίσης να ληφθεί από το ρεύµα ουδετέρου του µετασχηµατιστή ισχύος. (βλέπε Σχήµα 3.9) Θεωρητικά οι δυο τρόποι πόλωσης του εξοπλισµού προστασίας είναι ισοδύναµοι. Αν είναι η σύνθετη αντίσταση αρνητικής ακολουθίας του µετασχηµατιστή και η σύνθετη αντίσταση της γείωσης ουδετέρου κόµβου, η υπόλοιπη τάση (residual) και το ρεύµα του ουδετέρου κόµβου, σχετίζονται µε την ακόλουθη εξίσωση: = + Στην πράξη, µόνο η πόλωση µε την χρήση του ρεύµατος ουδετέρου χρησιµοποιείται σε δίκτυα, όπου το ρεύµα σφάλµατος ως προς γη είναι, και µεγάλο (µερικές εκατοντάδες Α) και ταυτόχρονα πολύ µεγαλύτερο από το ρεύµα που οφείλεται στην παράσιτη χωρητικότητα (parasite capacitance) του δικτύου. Αυτήν την στιγµή η µέτρηση του ρεύµατος ουδετέρου είναι πιο ακριβής από ότι αυτή της υπόλοιπης τάσης (residual), ή οποία έχει πολύ µικρή τιµή την στιγµή του βραχυκυκλώµατος. Η τελευταία µπορεί να χρησιµοποιείται µόνο σε υποσταθµούς που βρίσκονται κοντά στην σύνδεση γείωσης του ουδετέρου κόµβου. Σχήµα 3.9: υο τρόποι πόλωσης για την προστασία κατεύθυνσης ως προς γη. Χαρακτηριστική γωνία Για να καθοριστεί η κατεύθυνση του σφάλµατος, ο εξοπλισµός προστασίας µετρά την διαφορά φάσης µεταξύ του ρεύµατος και της µεταβλητής πόλωσης. Αν η µεταβλητή πόλωσης δεν βρίσκεται πάνω στον άξονα µέγιστης ροπής του ηλεκτρονόµου (χαρακτηριστικός άξονας, βλέπε Σχήµα 3.10), είναι αναγκαίο, να επανατοποθετηθεί σε φάση µε αυτόν, ρυθµίζοντας την χαρακτηριστική του γωνία.

34 3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης Κατά τον σχεδιασµό της διαβάθµισης των ηλεκτρονόµων προστασίας κατεύθυνσης, η χαρακτηριστική γωνία του εξοπλισµού προστασίας πρέπει να καθοριστεί έτσι ώστε κάθε σφάλµα στην κατεύθυνση διακοπής να προκαλεί ένα ρεύµα το οποίο να πέφτει µέσα ζώνη διακοπής, ενώ ένα σφάλµα της αντίθετης κατεύθυνσης να προκαλεί ένα ρεύµα το οποίο να πέφτει έξω από αυτήν την ζώνη. Η χαρακτηριστική γωνία εξαρτάται από την επιλογή της µεταβλητής πόλωσης και από την µέθοδο γείωσης των ουδετέρων κόµβων του δικτύου ( για τους ηλεκτρονόµους γης). Εποµένως η χαρακτηριστική γωνία επιδέχεται συχνά ρύθµιση. Οι κύριες εφαρµογές και οι αντίστοιχες ρυθµίσεις της εξετάζονται στην παράγραφο 3.3. Για να είναι δυνατή η µέτρηση της διαφοράς φάσης µεταξύ του ρεύµατος και της µεταβλητής πόλωσης είναι βασικό για την τελευταία να έχει αρκετά µεγάλη τιµή, (γενικά 0,5 έως 2% της ονοµαστικής τιµής της µεταβλητής αυτής). Αν η µεταβλητή πόλωσης είναι µικρότερη από αυτό το όριο ο εξοπλισµός προστασίας δεν θα ενεργοποιηθεί για οποιοδήποτε ρεύµα και αν µετρηθεί. Μέθοδοι ανίχνευσης Υπάρχουν τρεις µέθοδοι ανίχνευσης, οι οποίες αντιστοιχούν σε διάφορες απαιτήσεις και µερικές φορές σε διάφορες πρακτικές: υπερένταση κατεύθυνσης µέτρηση της προβολής του ρεύµατος µέτρηση της υπόλοιπης ενεργής ισχύος (residual) Οι πρώτες δυο χρησιµοποιούνται για ανίχνευση σφαλµάτων µεταξύ των φάσεων και µεταξύ φάσης- γης, ενώ η τελευταία χρησιµοποιείται ειδικά για την ανίχνευση σφαλµάτων ως προς γη σε συστήµατα µε ειδικού τύπου µέθοδο γείωσης ουδετέρου κόµβου. Υπερένταση κατεύθυνσης (βλέπε Σχήµα 3.10) Αυτός ο τύπος ηλεκτρονόµου κατεύθυνσης κατασκευάζεται µε τον συνδυασµό του εξοπλισµού προστασίας υπερέντασης µε έναν εξοπλισµό ο οποίος µετρά την διαφορά φάσης µεταξύ ρεύµατος και µεταβλητής πόλωσης. Ο ηλεκτρονόµος ενεργοποιείται όταν πληρούνται οι δυο παρακάτω συνθήκες: το ρεύµα είναι µεγαλύτερο από τη ρύθµιση (κατώφλι) του ηλεκτρονόµου η διαφορά φάσης µεταξύ ρεύµατος και του χαρακτηριστικού άξονα, ο οποίος καθορίζεται από την γωνία της µεταβλητής πόλωσης συν την χαρακτηριστική γωνία, να είναι στην ζώνη των +90 και 90 από αυτόν.

3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης 35 Σχήµα 3.10: Χαρακτηριστική λειτουργίας του εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης υπερέντασης. Μέτρηση της προβολής ρεύµατος (βλέπε Σχήµα 3.11) Σε αυτόν τον εξοπλισµό προστασίας γίνεται ο υπολογισµός της προβολής του ρεύµατος πάνω στον χαρακτηριστικό άξονα. Το αποτέλεσµα έπειτα συγκρίνεται µε την ρύθµιση (κατώφλι) του για να καθοριστεί αν θα δοθεί εντολή διακοπής ή όχι. Σχήµα 3.11:Εξοπλισµός προστασίας κατεύθυνσης µε µέτρηση της προβολής ρεύµατος Μέτρηση της υπόλοιπης ενεργής ισχύος (residual active power) Αυτός ο τύπος εξοπλισµού προστασίας, στην πραγµατικότητα µετρά την υπόλοιπη ενεργό ισχύ (residual), έτσι το κατώφλι του είναι εκφρασµένο σε watt. Για να αποφεύγονται ανεπιθύµητες διακοπές που προκαλούνται από µη ακριβείς µετρήσεις κατά την διάρκεια ισχυρών χωρητικών υπόλοιπων ρευµάτων (residual) (υψηλή άεργη ισχύς ουδετέρου κόµβου),η ζώνη διακοπής περιορίζεται στα άκρα της, όπως φαίνεται στο σχήµα 3.12

36 3. Εξοπλισµός Προστασίας Κατεύθυνσης Σχήµα 3.12: Χαρακτηριστική λειτουργίας του εξοπλισµού προστασίας κατεύθυνσης, ο οποίος µετρά την ενεργό ισχύ µηδενικής ακολουθίας. Για την ανίχνευση σφαλµάτων γης, η πιο διαδεδοµένη µέθοδος είναι αυτή της µέτρησης προβολής του ρεύµατος. Η χρήση των ηλεκτρονόµων κατεύθυνσης υπερέντασης δεν είναι κατάλληλη για όλες τις µεθόδους γείωσης ουδετέρου.(στην παράγραφο 3, αναλύεται ότι αυτή η µέθοδος µέτρησης δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε σύστηµα µε µέθοδο γείωσης ουδετέρου µε αντιστάθµιση(compensated neutral point)). Η χρήση του εξοπλισµού προστασίας που µετρά την υπόλοιπη ενεργή ισχύ (residual) είναι περιορισµένη και χρησιµοποιείται µόνο σε διατάξεις γείωσης ουδετέρου µε αντιστάθµιση, αντίθετα από ότι αυτή των ηλεκτρονόµων τύπου προβολής ρεύµατος. 3.2.2 Προστασία Κατεύθυνσης Φάσης Γωνία σύνδεσης, χαρακτηριστική γωνία Τις πιο πολλές φορές, αυτός ο τύπος εξοπλισµού προστασίας, είναι διφασικός και αποτελείται από δυο ανεξάρτητα µονοφασικά στοιχεία. Μερικές φορές όµως πρέπει να χρησιµοποιείται τριφασικός εξοπλισµός προστασίας. Σε αυτόν για κάθε φάση που επιτηρείται, ο ηλεκτρονόµος µετρά το ρεύµα της, και χρησιµοποιεί ως µεταβλητή πόλωσης, την πολική τάση. Η φασική τάση δεν χρησιµοποιείται εδώ επειδή µεταβάλλεται σηµαντικά κατά την διάρκεια του σφάλµατος ως προς γη, διότι εξαρτάται από την υπόλοιπη τάση. (residual voltage). Όταν ο ηλεκτρονόµος µετρά το ρεύµα στην φάση α, η τάση πόλωσης που χρησιµοποιείται συχνά είναι η. Η γωνία σύνδεσης του εξοπλισµού λέµε τότε ότι είναι 90 ο (βλέπε Σχήµα 3.13). Όπως και στον ηλεκτρονόµο κατεύθυνσης γης, η χαρακτηριστική γωνία του ηλεκτρονόµου κατεύθυνσης φάσης ορίζει την γωνία της ζώνης διακοπής. Είναι η γωνία που σχηµατίζεται από την κάθετο στο επίπεδο διακοπής και την µεταβλητή πόλωσης.